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石墨烯,5G时代的最佳散热材料?

我國導熱領域起步較晚,由於高端產品技術仍壟斷在歐美及日本等少數企業中,國內眾多導熱界面材料生產廠家仍以低端產品輸出為主,銷售額僅佔市場總額10%左右。傳統手機散熱材料以石墨片和導熱凝膠等TIM材料(導熱界面材料)為主。目前熱管和VC(均熱板)開始從電腦、服務器等領域滲透到智能手機終端,石墨烯材料也開始應用。相對而言,VC和石墨烯的導熱係數高、厚度低,是性能更佳的散熱材料。

石墨膜:散熱方案的主流材料

主流散熱材料,單手機用量為 3~6片。石墨是相較於銅和鋁等金屬更好的導熱材料,主要原因在於石墨具有特殊的六角平面網狀結構,可以將熱量均勻地分佈在二維平面並有效地轉移。在水平方向上,石墨的導熱係數為300~1900W/(m*K),而銅和鋁的導熱係數約為200~400W/(m*K)。在垂直方向上,石墨的導熱係數僅為5~20W/(m*K)。因此,石墨具備良好的水平導熱、垂直阻熱效果。同時,石墨的比熱容與鋁相當,約為銅的2倍,這意味著吸收同樣的熱量後,石墨溫度升高僅為銅的一半。此外,石墨密度僅為 0.7~2.1g/cm3,遠低於銅的8.96g/cm3和鋁的2.7g/cm3,因此可以做到輕量化,能夠平滑粘附在任何平面和彎曲的表面。

基於高導熱係數、高比熱容和低密度等性能優勢,石墨自2009年開始批量應用於消費電子產品,2011年開始大規模應用於智能手機,目前已經取代傳統金屬,成為消費電子領域主流的散熱材料。

 

石墨烯膜:理化性能豐富,國產優勢明顯

01 導熱係數最高、導電性能好,下游鋰電材料和導熱膜空間巨大

石墨烯是已知的導熱係數最高的物質,理論導熱率達到5300W/(m*K),遠高於石墨。它是由單層碳原子經電子軌道雜化後形成的蜂巢狀二維晶體,厚度僅為0.335nm,又稱為單層石墨,是碳納米管、富勒烯的同素異形體。根據中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟標準,單層石墨烯指由一層碳原子構成的二維碳材料。

 

石墨烯的快速導熱特性與快速散熱特性,使其成為傳統石墨散熱膜的理想替代材料,廣泛用於智能手機、平板電腦、大功率節能 LED照明、超薄LCD電視等散熱。除高導熱性之外,石墨烯還有其他優異的理化特性,因此下游應用廣泛。例如,導電性高,可應用在集成電路、導電劑、傳感器和鋰電等領域;比功率高,可作為超級電容和儲能元件;柔性強,彎折不影響性能,可作為柔性材料用於曲面屏和可穿戴設備;具有高透光率,可用於透明導電薄膜。
石墨烯薄膜的應用領域包括:

(1)導熱膜,用於智能手機和平板電腦等的散熱層;
(2)柔性顯示,用於柔性顯示屏和可穿戴設備等領域;
(3)傳感器材料,用於可穿戴設備、醫療和環境監測等領域;
(4)集成電路基礎材料,用於超級計算機、高頻芯片和精密電子元件等領域。

02 我國石墨烯產業全球領先,參與者眾多

石墨烯的相關研究從1994年開始出現,2004年英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功分離出石墨烯,並於2010年諾貝爾物理學獎。近年來,石墨烯研究持續走熱,專利數量不斷增加,同時產業化進程也在不斷推進。

我國石墨烯理論研究和產業化均位居世界前列。理論研究方面,根據石墨烯產業聯盟的數據,截止2016年,在全球主要優先權專利申請統計中,我國石墨烯專利佔比達58%(其次是韓國和美國);產業化方面,石墨烯在戰略前沿材料中佔據關鍵地位,中國計劃實現石墨烯產業“2020年形成百億產業規模,2025年整體產業規模破千億”的發展目標。